壳聚糖是一种天然可降解的碱性多糖，价廉易得、无毒无害、生物相容性好，在水处理、固定化酶、多酚吸附、重金属吸附、药物载体等方面都有广泛的应用。壳聚糖富含氨基，可以用来吸附有机酸。但是壳聚糖在酸性溶液中易流失，且与溶液分离困难，难以直接利用。
因此西北农林科技大学食品科学与工程学院的姜飞虹、雷欢庆和岳田利*等人考虑将壳聚糖与磁性材料相结合，通过反相悬浮交联法制成磁性壳聚糖复合微球，使之既可以利用壳聚糖层的氨基基团发挥吸附作用，又能兼具良好的磁响应性能，磁性壳聚糖复合微球具有操作简便、分离快速、分离效率高等众多优点，可以弥补一般传统分离方法的不足。本实验旨在制备一种磁响应强的磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球，用于吸附分离苹果汁中的有机酸，并且微球洗脱之后可以反复使用，为建立一种新型环保的有机酸吸附分离方法提供理论依据与技术支持。
形貌与粒径分布
图1是磁性Fe3O4纳米颗粒的透射电子显微镜照片和粒径频率统计分布图。从 图1b中可以看出，磁性Fe3O4纳米颗粒的粒径分布范围 为8~19 nm，小于室温条件下磁性Fe3O4纳米粒子具有 超顺磁性的临界尺寸；同时由图1a的透射电子显微镜 照片可以看出磁性Fe3O4纳米颗粒的分散性较差，存在明显的物理聚集现象。
由图2a扫描电子显微镜照片可以看出，制备的复合微球为微米级，呈现规则球形，分散性较好，表面光滑或有核桃状褶皱。因为磁性Fe3O4/壳聚糖微球采用真空冷冻干燥，大部分颗粒在干燥后能保持较完整的原始表面形态，但仍有小部分微球因为冷冻不到位，导致在干燥 过程中迅速失水而皱缩，产生核桃状褶皱。由图2b可知，复合微球激光粒度仪粒径主要分布在22~158 μm， d (0.1)为36.765 μm，即有10%的微球粒径小于 36.765 μm；d (0.5)为72.987 μm，为微球的中值粒径， 即50%的微球粒径小于或者大于72.987 μm；d (0.9)为124.786 μm，即90%的微球粒径小于124.786 μm。结果表明实验制备的磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球为微米级，分散状态良好，基本服从正态分布，且分布带较窄，可以最大程度保证不同批次反应的同质性。
XRD衍射分析结果
为了确认所制备的Fe3O4纳米颗粒以及磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球中包含的Fe3O4纳米颗粒是否为纯Fe3O4，对两种样品分别进行了XRD分析。由图3可知，Fe3O4纳米颗粒和磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球的XRD图谱在衍射角30.373°、35.742°、43.325°、53.983°、57.338°、62.911°等处分别出现衍射峰，分别对应Fe3O4 220、311、400、422、511、440等晶面方向的衍射，与国际衍射数据中心提供的Fe3O4标准卡(PDF No. 65-3107)中的XRD图谱的特征峰吻合，由此可确认磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球中包埋的Fe3O4纳米颗粒是具有反相尖晶石型结构的纯Fe3O4。
而Fe3O4纳米颗粒与磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球的XRD图谱分析结果具有一致性，表明在磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球的制备过程中，壳聚糖对Fe3O4纳米颗粒的包埋过程不会造成Fe3O4晶体结构的改变。根据公式求得Fe3O4纳米颗粒的平均粒径为9.1 nm，其粒径小于室温条件下超顺磁的临界粒径，因此可以证明 Fe3O4纳米颗粒具有超顺磁性。
FTIR分析结果
对Fe3O4纳米颗粒、 壳聚糖和磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球进行了FTIR分析，结果如图4所示。Fe3O4纳米颗粒FTIR图谱显示586 cm-1处存在一个强烈的伸展吸收峰，这个特征吸收峰是 Fe3O4纳米颗粒所特有的Fe-O-Fe基团。壳聚糖FTIR 图谱显示在1 651 cm-1和1 599 cm-1处出现特征吸收 峰，分别对应酰胺I带峰C=O的伸缩振动和酰胺II带峰 N—H面内弯曲振动；此外，1 381 cm-1附近是CH3的 C—H的变形振动吸收峰，这是壳聚糖没有完全脱乙酰所致。1 076 cm-1处对应的是壳聚糖主链仲羟基C—O 的伸缩振动吸收峰 。磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球的FTIR光谱结果表明Fe3O4纳米颗粒成功地被交联壳聚糖层包埋形成了磁性Fe3O4壳聚糖复合微球。
热重分析结果
利用热重分析仪对Fe3O4纳米颗粒、壳聚糖、磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球进行热重分析，结果如图5所示。整个升温过程中Fe3O4纳米颗粒质量损失不明显，由物理水分蒸发造成的损失率仅为2.12%。由图5曲线b、c可以看出，在温度升高至100 ℃时，壳聚糖粉末和磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球分别有5.34%和4.03% 的质量损失。磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球比壳聚糖裂解时间早，分别在200 ℃和260 ℃进入快速裂解过程。
此外，壳聚糖粉末在温度从260 ℃升高至400 ℃的过程中，热分解持续快速进行，质量损失45.52%。400 ℃以后，降解速率逐渐放缓。而磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球的降解过程从200 ℃一直持续到700 ℃，此过程质量损失率达到51.45%。通过 计算样品800 ℃时的质量损失率，可以得知Fe3O4约占磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球总质量的38.66%。
磁滞回线分析结果
图6为Fe3O4纳米颗粒和磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球的磁滞回线，Fe3O4纳米颗粒与磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球的磁滞回线基本通过原点，没有磁滞现象，没有发现剩余磁化强度和矫顽力，表明制备的Fe3O4纳米颗粒在室温下是超顺磁的，被壳聚糖包埋后也没有改变其超顺磁性质。Fe3O4纳米颗粒和磁性Fe3O4/壳聚糖复合 微球的饱和磁化强度分别为78.16 emu/g和35.98 emu/g。复合微球较Fe3O4纳米颗粒的饱和磁化强度有所下降。
根据热重分析的结果，Fe3O4约占磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球总质量的38.66%，换算成相同质量的Fe3O4时，磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球的饱和磁化强度约为 93.07 emu/g，反而高于相同质量的Fe3O4纳米颗粒。
回收率分析结果
图7是中性条件（pH 7.0）下，回收时间对Fe3O4纳米颗粒和磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球回收率的影响。可以看到相同质量浓度、相同时间下，磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球比Fe3O4纳米颗粒更容易回 收，这是因为如果换算成相同质量的Fe3O4，磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球的饱和磁化强度要高于Fe3O4纳米颗粒；同时微球中包埋的磁性纳米颗粒很多，表现出的磁响应特性是所有Fe3O4纳米颗粒的总和，所以磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球表现出的磁响应性更强，回收率更高。
质量浓度为5 mg/mL的Fe3O4纳米颗粒在5 min时可以达到 99.99%的回收率，而3 mg/mL与1 mg/mL的Fe3O4纳米颗粒在5 min时分别可以达到99.98%和99.96%的回收率。磁性Fe3O4纳米颗粒高质量浓度比低质量浓度回收率高，是因为磁性Fe3O4纳米颗粒在溶液中极易团聚，质量浓度越高，团聚越明显，经过团聚的磁性Fe3O4颗粒，其磁化强度要高于单一的Fe3O4纳米颗粒；因此在磁场作用下，回收速率更快，回收率更高。不同质量浓度的磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球磁场作用10 s的回收率均可达到99.9%以上， 随着回收时间的延长，其回收率也随之增加，2 min以后回 收率基本可达到100%（比色法无法检测到残留），且随着回收时间的延长，回收率不再发生明显变化。
图8是不同pH值对Fe3O4纳米颗粒和磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球回收率的影响（质量浓度均为5 mg/mL，回收时间10 s），可以看到，在不同pH值下，磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球的回收率均高于Fe3O4纳米颗粒，且受pH 值影响不明显。当pH值低于8时，Fe3O4纳米颗粒的回收 率随着pH值的增加而显着增大（P＜0.05）；pH值高于8 时，随着pH值的增加，回收率又显着减小（P＜0.05）。在中性条件下，Fe3O4纳米颗粒的表面电位接近于零，而在酸性或者碱性环境 下会分别带正电荷与负电荷，这些电荷间的相互作用可 能会抵消一部分磁场作用，使得酸性或者碱性环境下Fe3O4纳米颗粒的回收率相较中性环境低。磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球在pH 3～11范围内回收率没有显着性差异 （P＞0.05），10 s时的回收率均达到99.9%以上；pH值 为2时显着低于其他pH值下的回收率（P＜0.05）。
可回收程度评价结果表明，磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球的回收率因回收时间不同而存在差异，同时由于表面壳聚糖层的存在，大幅减小了pH值对微球回收率的影响，扩大了磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球的应用范围。良好的磁响应特性和足够高的可回收程度保证了实验中制备的磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球在水环境（或苹果汁）分离系统中具有切实可行的应用前景。
磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球吸附苹果汁中有机酸的可重复性评价结果
图9为磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球吸附苹果汁中有机酸的可重复性评价结果。苹果汁初始有机酸质量浓度为2.32 mg/mL，微球加入量0.5 g，吸附与解吸温度均在25 ℃ 下进行。有机酸的解吸过程是在4%氨水溶液中完成的。基于反应原理，使得磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球具有一定的吸附选择性，在复杂的苹果汁基质中，只会选择吸附能够解离出氢离子与羧酸根离子的有机酸，而对苹果汁中存在的葡萄糖、果糖等其他物质很难产生吸附作用。
从图9可以看出，整个过程包括3 个周期。每个周期分别包括一个90 min的吸附过程和一个20 min的解吸过程。对第一个周期，在吸附的初始阶段，磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球对苹果汁中有机酸的吸附量随着时间的延长而增大，在70 min时吸附基本达到平衡状态，随着时间的延长，吸附量不再发生显着性变化（P＞0.05），最 终平衡吸附量达到了111.54 mg/g；吸附结束后，进入解吸过程，用4%的氨水溶液对吸附完毕的磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球进行解吸，测得解吸时间不同，有机酸回收量也不 同。前15 min内，有机酸回收量随着解吸时间的延长而显着增大（P＜0.05），15～20 min有机酸回收量略有下降， 但并没有产生显着性差异（P＞0.05）。由此可知解吸时 间并不是越长越好，解吸15 min，回收得到的有机酸含量 为97.00 mg/g，有机酸回收率为86.97%。解吸液中的有机 酸并不能被完全回收。利用再生后的磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球对苹果汁中有机酸进行第二次吸附与解吸过程，吸附量与回收率会有微弱下降，但并没有产生显着性差异（P＞0.05）。第3次吸附与解吸过程中有机酸吸附量与回收率分别为109.92 mg/g、86.86%，有机酸吸附量较第一次吸附显着下降（P＜0.05），但回收率却没有产生显着性变化（P＞0.05）。
对磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球吸附苹果汁有机酸的可重复性评价结果可知，所制备的磁性微球可以完全满足进一步的再生和重复利用要求。相较于传统的有机酸提取分离方法，磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球在吸附苹果汁有机酸时，不必额外引入外加试剂，在磁场作用下可以快速实现固液分离，不会对被分离物造成破坏。并且解吸之后可以循环多次利用，最大程度地简化操作工艺，节约生产成本。
讨 论
可以将磁性壳聚糖微球 作为支撑载体结合表面分子印迹技术来分离苹果汁中的 L-苹果酸、柠檬酸等单一有机酸，同时也可以将其应用 范围进一步扩大到其他单一天然产物的分离提取中。
结 论
利用反相悬浮交联法制备磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球，所得微球呈规则球形，粒径为22～ 158 μm，饱和磁化强度35.98 emu/g，具有超顺磁性，Fe3O4质量约占 微球质量的38.66%，壳聚糖包埋过程并未改变其晶体结构。磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球在特定磁场下的回收率受pH值的影响较Fe3O4纳米颗粒小，磁场作用10 s就可 以达到99.90%以上的回收率，且随着回收时间的延长， 回收率会继续增大，2 min后回收率基本趋向于100%。 磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球对苹果汁有机酸的吸附量随着吸附时间的延长而增大，70 min达到吸附平衡，平衡吸附量为111.54 mg/g；15 min解吸完全，有机酸回收率 86.97%。反复使用3 次后，磁性Fe3O4/壳聚糖复合微球对有机酸的回收率并未显着下降。
